Механизмы регуляции газообмена

Контрольная работа

по физиологии человека и животных

Вариант № 7

«Механизмы регуляции газообмена»

Вариант-7. Механизмы регуляции газообмена

1. Газовый состав крови человека и высших животных. Процессы, определяющие содержание газов во внутренней среде организма в условиях покоя и при напряженной работе.

2. Внешнее дыхание, его механизм и значение в системе гомеостаза газового состава крови.

3. Условия, способствующие газообмену в легких. Потенциальные резервы легочного газообмена.

4. Жизненная емкость легких, дыхательный, дополнительный, резервный остаточный воздух. Минутный объем дыхания (МОД). Возрастные особенности внешнего дыхания.

5. Зависимость между интенсивностью внешнего дыхания и газовым составом крови. Описание опытов, иллюстрирующих эту зависимость.

6. Представление о дыхательном центре. Роль в регуляции дыхания СО₂ и О₂ .

7. Значение в дыхании импульсов с рецепторов легких, дыхательных мышц, дыхательных путей и скелетной мускулатуры.

8. Особенности процесса саморегуляции дыхания.

9. Роль в регуляции дыхания коры больших полушарий. Примеры изменения дыхания под влиянием корковой регуляции.

10. Регуляция дыхания при мышечной работе, при пониженном атмосферном давлении.

11. Кривая диссоциации-оксигемоглобина. Роль гемоглобина в поддержании газового гомеостаза.

1. Газовый состав крови человека и высших животных. Процессы, определяющие содержание газов во внутренней среде организма в условиях покоя и при напряженной работе.

Дыхание (respiratio)— совокупность процессов, обеспечивающих поступление из атмосферного воздуха в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа. В результате биологического окисления в клетках освобождается энергия, идущая на обеспечение жизнедеятельности организма. Нормальная жизнедеятельность клеток возможна лишь при условии удаления конечных продуктов метаболизма, к числу которых относится углекислый газ.

Различают внешнее Д., транспорт газов кровью (Газообмен) и тканевое. Внешнее Д.— это совокупность процессов газообмена, осуществляемых с помощью дыхательных мышц, бронхолегочного аппарата и системной регуляции, обеспечивающей вентиляцию легочных альвеол и диффузию газов через альвеолярно-капиллярные мембраны. Во внешнем Д. выделяют две стадии: конвекционный транспорт газов в альвеолы (вентиляция); диффузия из альвеол в кровь легочных капилляров кислорода и в обратном направлении углекислого газа.

Газообмен— совокупность процессов обмена газов между организмом и окружающей средой; состоит в потреблении кислорода и выделении углекислого газа с незначительными количествами газообразных продуктов и паров воды. Интенсивность Г. пропорциональна интенсивности окислительно-восстановительных процессов, происходящих во всех органах и тканях, и находится под регулирующим влиянием нервной и эндокринной систем.

Газообмен обеспечивается функциями нескольких систем организма. Наибольшее значение имеют внешнее, или легочное, дыхание, обеспечивающее направленную диффузию газов через альвеолокапиллярные перегородки в легких и обмен газов между наружным воздухом и кровью; дыхательная функция крови, зависимая от способности плазмы растворять и способности гемоглобина обратимо связывать кислород и углекислый газ; транспортная функция сердечно-сосудистой системы (кровотока), обеспечивающая перенос газов крови от легких к тканям и обратно; функция ферментных систем, обеспечивающая обмен газов между кровью и клетками тканей, т.е. тканевое дыхание.

Дыхательная функция крови определяется количеством связанных с гемоглобином и растворенных в плазме О₂ и СО₂ , а также условиями, обеспечивающими диссоциацию молекул HbO2 и HbCO2 необходимую для Г. между тканями и легкими. Кроме О₂ и СО₂ в крови в небольших количествах растворены азот, аргон, гелий, окись углерода, метан. Азот содержится в крови в количестве, которое соответствует растворимости его в воде при температуре тела и при парциальном давлении его в атмосфере. Содержание азота в крови составляет 1,2 объемных процента, при тех же условиях вода может растворить 0,9 объемных процента. Азот в артериальной и в венозной крови содержится в равных количествах. Участия в дыхании азот не принимает.

В артериальной крови содержится 18-20 объемных процентов О2 и 50-52 объемных процентов СО2. В венозной крови – 10-12 объемных процентов О2 и 55-57 объемных процентов СО2. Артериальная кровь насыщена О2 на 96%, а венозная – на 66%.

Содержание газов в жидкости в физически растворенном виде зависит от его напряжения и от коэффициента растворимости (закон Генри — Дальтона), соответствующего объему газа (в мл), физически растворяющегося в 1 мл жидкости при напряжении газа, равном 1 атм, или 760 мм рт. ст. Для цельной крови при t° 37° коэффициент растворимости кислорода равен 0,024, углекислоты — 0,49, азота — 0,012. Чем выше напряжение газа, тем больше, при прочих равных условиях, его объем, растворяемый в жидкости, в т.ч. в крови. При парциальном давлении кислорода в альвеолярном воздухе, равном 95 мм рт. ст.(при давлении 14231 Па), в 100 мл артериальной крови растворено около 0,30 мл О₂ в смешанной венозной крови при снижении напряжения кислорода до 40 мм рт. ст. в 100 мл крови на долю физически растворенного кислорода приходится около 0,11 мл. Количество растворенного СО₂ в 100 мл артериальной и венозной крови соответственно составляет 2,6 и 2,9 мл, значительно больше, чем растворимость О2. Почти весь О2 в крови соединен с гемоглобином. Содержание СО2 в крови в 17-18 раз больше, чем это соответствует его растворимости при температуре тела и при парциальном давлении, при котором он находится в крови. Большая часть СО2 находится в крови не в растворенном состоянии, а в виде углекислых соединений.

Человек поглощает в покое в среднем за 1 час на каждый килограмм массы тела 300 см3 О2 (в среднем 420-500 дм3 в сутки) и выделяет в 1 час на каждый килограмм массы тела 250 см3 СО2 (в среднем 380-450 дм3 в сутки). Водяного пара выделяется в сутки 450 см3.

Вдыхаемый атмосферный воздух относительно постоянен по своему составу. В нем содержится 20,96% О2; 0,04% СО2 и 79,0% N. Выдыхаемый воздух содержит 16,4% О2; 4,1% СО2 и 79,5% N. Приведенные цифры относятся к сухому воздуху при температуре 0º и давлении 101080 Па.

Напряжение СО2 в альвеолярном воздухе незначительно колеблется в зависимости от пола, возраста, мышечной работы и колебаний барометрического давления.

Несмотря на колебания частоты дыхания, содержание СО2 в альвеолярном воздухе остается относительно постоянным, так как учащение или урежение дыхания возмещается уменьшением или увеличением глубины дыхания.

Газообмен у детей связан с различиями в регуляции щелочно-кислородного равновесия. Например, у ребенка 5 лет в выдыхаемом воздухе в 3 раза меньше СО2, чем у взрослых.

2. Внешнее дыхание, его механизм и значение в системе гомеостаза газового состава крови.

Акт дыхания состоит из трех процессов:

внешнее, или легочное, дыхание - обмен газов между организмом и окружающей средой; внутреннее, или тканевое, дыхание, протекающее в клетках; транспорт газов кровью, т.е. перенос кислорода кровью от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким.

Легочный тип дыхания является наиболее совершенным, он характерен для высокоорганизованных животных - птиц и млекопитающих, а также для человека. У более низкоорганизованных животных дыхание жаберное, трахейное и кишечное.

Органы дыхания подразделяются на воздухоносные пути и дыхательную часть. К воздухоносным путям относятся носовая полость, гортань, трахея и бронхи; к дыхательной части относится паренхима легких - легочные альвеолы, в которых происходит газообмен. Дыхательная система развивается как вырост вентральной стенки передней кишки; эта связь сохраняется в окончательной стадии развития - верхнее отверстие гортани открывается в глотку. Воздух проходит в гортань через полость носа или рта и глотку (их объединяют под названием «верхние дыхательные пути»). Для дыхательных путей характерно наличие хрящевого состава в их стенках (в результате чего стенки дыхательных путей не спадаются) и мерцательного эпителия на слизистой оболочке дыхательных путей. Ворсинки слизистого эпителия колеблются против движения воздуха и гонят наружу вместе со слизью инородные частицы, загрязняющие воздух.

Воздух в полость носа поступает через ноздри, носовая полость делится перегородкой на две половины, а сзади с помощью хоан сообщается с носоглоткой. Стенки носовой полости образованы костями и хрящами, выстланы слизистой оболочкой. Проходя через полость носа, воздух согревается, увлажняется и очищается. В полости носа находятся обонятельные луковицы, благодаря которым человек воспринимает запах. С носовой полостью связаны воздухоносные пазухи соседних костей - околоносовые пазухи (придаточные пазухи носа). Из носовой полости воздух попадает в носоглотку, затем в ротовую и гортанную части глотки, куда открывается гортань. Воздух сюда может поступать также через рот. Гортань располагается в области шеи на уровне 4-6 шейных позвонков, по бокам ее располагаются доли щитовидной железы, а сзади - глотка. Гортань образована хрящами. Надгортанник прикрывает вход в гортань во время глотания. Изнутри гортань покрыта слизистой оболочкой с мерцательным эпителием. На боковой стороне гортани справа и слева имеется углубление - желудочек гортани. Гортань служит для проведения воздуха и одновременно является органом звукообразования. В образовании звуков участвуют две голосовые связки: правая и левая, состоящие из эластических соединительных волокон. Связки натянуты между щитовидным и черпаловидными хрящами и ограничивают голосовую щель. При напряжении голосовых связок выдыхаемый воздух приводит их в колебание, в результате чего возникают звуки. Напряжение или расслабление голосовых связок, а также расширение или сужение голосовой щели зависят от сокращения мышц гортани (все мышцы гортани поперечнополосатые). Далее гортань переходит в трахею - трубку длиной около 12 см, состоящую из хрящевых полуколец. Задняя стенка трахеи мягкая (состоит из соединительнотканной перепонки), прилегает к пищеводу. Изнутри она также выстлана слизистой оболочкой, содержащей железы, которые выделяют слизь. Из области шеи трахея переходит в грудную полость и делится на два бронха (бифуркация трахеи). Бронхи входят в легкие и там делятся на бронхи меньшего диаметра. В грудной полости расположено два легких. Они имеют форму конуса: верхняя - суженная часть - верхушка, а нижняя - более широкая - основание. На стороне каждого легкого, обращенной к сердцу, располагаются углубления (ворота легкого), через которые проходят бронх, нерв легкого, кровеносные и лимфатические сосуды. Бронх в каждом легком ветвится. Бронхи, как и трахея, в стенках содержат хрящи. Самые мелкие разветвления бронхов называются бронхиолами, они не имеют хрящей и желез, но снабжены мышечными волокнами и способны сужаться (спазмы бронхиол). Правое легкое состоит из трех, а левое из двух долей. Каждый отдел легкого состоит из сегментов: в правом легком 11 сегментов, в левом - 10. Каждый сегмент в свою очередь состоит из множества легочных долек. Бронхиолы переходят в расширения - альвеолярные ходы, на стенках которых находятся выпячивания, называемые легочными пузырьками, или альвеолами (диаметр их 0,2-0,3 мм). Стенки альвеол состоят из однослойного эпителия и к ним примыкают капилляры. Через стенки альвеол и осуществляется газообмен: в кровь из альвеол поступает кислород, а обратно - углекислый газ. В легких взрослого человека насчитывается около 300-400 млн альвеол, их общая поверхность составляет около 100 м2. Легкие покрыты серозной оболочкой - плеврой. Плевра состоит из двух слоев - пристеночного и внутренностного. Около каждого легкого плевра образует плевральный мешок. Пристеночный листок прилегает к грудной клетке, а внутренностный - сросся с легким. Между двумя листками плевры имеется щелевидное пространство - полость плевры, в которой находится серозная жидкость, увлажняющая листки плевры, благодаря чему уменьшается трение плевры во время дыхания. В полости плевры воздуха нет и давление там отрицательное. Плевральные полости между собой не сообщаются.

Вдох осуществляется следующим образом: под влиянием нервных импульсов сокращаются мышцы, принимающие участие в дыхании (диафрагма, межреберные мышцы и др.). Диафрагма опускается (уплощается), за счет чего увеличивается вертикальный объем грудной полости. В этом акте принимают участие и другие мышцы, увеличивая горизонтальный объем легких. При вдохе легкие растягиваются, давление в них падает и становится ниже атмосферного. Таким образом создается разность давления между атмосферным и легочным воздухом, и наружный воздух устремляется в легкие. При выдохе мышцы расслабляются (диафрагма при этом поднимается), ребра опускаются, объем грудной клетки уменьшается, легкие сжимаются, давление в них повышается (выше атмосферного) и воздух по воздухоносным путям устремляется наружу. В спокойном состоянии взрослый человек дышит 16-20 раз в минуту. У детей дыхание более частое - до 60 вдохов в минуту. У нетренированных людей при физической нагрузке ритм дыхания учащается. Учащается дыхание при многих заболеваниях, но глубина его часто снижается. Во время сна дыхание урежается. Различают брюшной тип дыхания (преобладает у мужчин), когда объем грудной клетки увеличивается преимущественно в результате сокращения диафрагмы, и грудной (у женщин) - в результате сокращения других дыхательных мышц, когда увеличивается поперечный размер грудной клетки.

3. Условия, способствующие газообмену в легких. Потенциальные резервы легочного газообмена.

Обмен газов в легких происходит в альвеолах. Альвеолы лежат в сети эластичных соединительных волокон, выполняющих опорную функцию и придающих легким эластичность и упругость. Важное физиологическое значение в газообмене легких имеет сурфактант – нерастворимая в воде тонкая пленка фосфолипида, покрывающая внутреннюю поверхность альвеол и стабилизирующая силы поверхностного натяжения. Сурфактант, противодействуя влиянию сил поверхностного натяжения при изменении диаметра альвеол, препятствует развитию слипания альвеол – ателектазу. Общая поверхность всех альвеол, через которую диффундируют газы, составляет у взрослого человека примерно 100-120 м² , что более чем в 50 раз превышает поверхность кожи. Этим определяется резкое снижение роли кожи как органа дыхания у высших позвоночных, в том числе и у человека.

Стенки альвеол очень тонки, и газы легко диффундируют через них из полостей альвеол в кровеносные капилляры. Через легочные капилляры протекает около 5 л крови/мин. Суммарная толщина мембраны, разделяющей альвеолярный воздух и кровь, составляет 4 мкм и образована двумя слоями плоских клеток: эндотелия кровеносных капилляров и эпителиальных клеток, выстилающих поверхность альвеол. Скорость газообмена через мембрану достаточна велика, чтобы установилось почти полное равновесие между кровью, протекающей через легочные капилляры, и воздухом, содержащимся в альвеолах, хотя кровь пребывает в кровеносных капиллярах альвеол не более 2 с.

Система газообмена в легочной альвеоле и тканях:

1-полость легких, 2-альвеола, 3-кровеносные капилляры легких, 4-кровеносные капилляры тканей, 5-клетки тканей, 6-система наружного дыхания, 7-система внутреннего дыхания

Для физиологических процессов газообмена основное значение имеет парциальное давление, которое развивают газы в альвеолах (пропорционально их процентному содержанию).

Таблица. Состав воздуха, %

Атмосферный воздух значительно меняет свой газовый состав в результате газообмена с кровью в легочных альвеолах.

Диффузия О₂ и СО₂ происходит вследствие разности между парциальным давлением этих газов в альвеолярном воздухе и напряжением их в крови. Напряжение СО₂ и О₂ есть концентрация этих газов в газовой смеси, с которой растворимые газы находятся в равновесии при атмосферном давлении. Каждый газ растворяется в жидкости в зависимости от своего парциального давления. Напряжение О₂ в артериальной крови равно 100 мм рт. ст., а СО₂ – 40 мм рт. ст., в венозной крови соответствующие значения этих величин – 40 и 46 мм рт. ст. В альвеолярном воздухе парциальное давление О₂ составляет 102, а СО₂ – 40 мм рт. ст. Разность между напряжением газов в венозной крови и их давлением в альвеолярном воздухе равна для О₂ примерно 62, а для СО₂ – 6 мм рт. ст. Вследствие более низкого парциального давления СО₂ в альвеолярном воздухе (по сравнению с напряжением его в венозной крови) он переходит путем диффузии из крови легочных капилляров альвеолярный воздух. В результате более низкого парциального давления О₂ в альвеолярном воздухе, по сравнению сего напряжением в венозной крови, О₂ поступает из альвеолярного воздуха в кровь капилляров легких. Потребность человека в кислороде составляет примерно 350 мл/мин (при физической работе эта величина возрастает до 5000 мл/мин). Условия газообмена в альвеолах легко обеспечивают такой уровень потребления О₂ организмом: разности в парциальных давлениях в 1 мм рт. ст. уже достаточно, чтобы в кровь из альвеол перешло 250 мл О₂ (реально наблюдаемая разность напряжений О₂ в альвеолярном воздухе и крови составляет 62 мм рт. ст.).

Обмен О₂ и СО₂ в легких включает диффузию газа через жидкость: О₂ диффундирует вначале из альвеолярного воздуха в плазму крови, а затем из плазмы в эритроциты и соединяется с


8-09-2015, 19:51